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面向2035-我國先進纖維材料產業發展戰略研究
時間:2020年11月06日 來源:碳纖維生產技術 中國工程科學  作者:佚名 瀏覽次數:

摘要

   我國化學纖維產量居全球首位,是國民經濟支柱產業,當前化學纖維產業發展仍存在突出問題,亟需加快提升先進纖維材料產業的發展,帶動化學纖維產業和紡織行業的高質量發展。本文圍繞化學纖維中的差別化功能纖維、高性能纖維、生物基纖維三類先進纖維材料,分析了我國先進纖維材料的發展現狀、面臨挑戰以及發展趨勢。在此基礎上,面向未來需求,凝練了我國先進纖維材料產業今后發展的重點任務為突破關鍵核心技術形成標志性產品、提升智能制造水平、加強自主創新能力建設、加強科技人才隊伍建設。本文從加強產業發展戰略研究、完善產業科技創新體系建設、加強科學技術的支撐與引領作用、支持骨干企業國際化以及統籌發展等方面提出了發展建議,以期為推動我國纖維材料產業高質量發展提供理論參考。

一、前言

我國是全球化學纖維產業鏈最為完整、品種豐富、規模最大、產業配套最齊全的生產國、消費國和出口國;瘜W纖維產品除應用于傳統的紡織服裝、家居等消費品領域外,還廣泛應用于交通運輸、環境保護、安全防護、土工建筑、醫療衛生、航空、航天、國防軍工等領域。我國化學纖維產業的快速發展始于20世紀末期,隨著聚酯纖維國產化技術與裝備的不斷突破,生產成本顯著降低,產能高速增長,2019年我國化學纖維產量約為5.95×107t,約占全球化學纖維總產量的80%。目前,我國化學纖維產業發展面臨一些突出問題,如同質化現象嚴重導致產品附加值低,高性能纖維的品質和成本不具有市場競爭優勢,生物基纖維產品生產規模小、成本高,尚不能實現對石油基纖維產品的有效替代。當前,在國際紡織產業再分工的背景下,這些問題制約著我國化學纖維產業的可持續發展,難以形成產業的國際競爭優勢。先進基礎纖維材料(簡稱為先進纖維材料)指可實現規;a和廣泛應用的,具有以下一個或多個特征的材料:物理機械性能和品質良好;在保證物理機械性能滿足應用的同時,可通過物理、化學手段賦予材料新功能;可實現全生命周期綠色化水平提升;通過數字化、柔性化和智能化制造過程可提升纖維材料的制造效率和產品品質,顯著降低能耗、物耗。
本文圍繞先進纖維材料中最重要的差別化功能纖維、高性能纖維、生物基纖維品種,分析我國先進纖維材料產業的發展現狀、面臨挑戰以及未來的發展趨勢,總結今后發展的重點任務,提出發展建議,為產業和企業的發展提供參考。

二、我國先進纖維材料產業發展現狀

(一)差別化功能纖維
近年來,我國化學纖維生產產能持續快速擴張,產業結構性過剩問題凸顯,常規化學纖維品種同質化競爭激烈、附加值低,因此,基于現有產能條件下的纖維差別化、功能化生產成為化學纖維產業結構調整和產業升級的關鍵。功能纖維是一個總體概念,指纖維自身具備特定的性質和功能,并由此賦予紡織產品新的性質和功能。按照纖維自身的性質,功能纖維可以分為兩類:一類為差別化功能纖維,是在聚酯纖維、聚酰胺纖維、再生纖維素纖維等常規化學纖維制備過程中,通過綜合運用分子改性、功能組分添加、特種紡絲成形以及纖維后處理等一種或幾種方式制備而成。與常規化學纖維相比,這類纖維可以顯著改善或增加纖維的性能和功能。另一類是本征功能纖維,即纖維本質上具有特定的性能或功能,這些纖維是聚合物通過熔體紡絲或溶液紡絲制備而成的,如具有高彈性的氨綸等。
經過重點推進,我國差別化功能纖維發展取得了顯著成績,建立起產業鏈完整、品種齊全的功能纖維產業體系,與日本、美國和歐盟等發達國家和地區的差距明顯縮小。2017年,我國差別化功能纖維的產量約為1×107t,多為原液著色纖維、陽離子染料可染纖維、高性能聚酯與聚酰胺工業絲、低熔點復合短纖維等附加值相對較低的常規功能纖維品種,而以超仿真纖維、抑菌纖維、阻燃纖維、遠紅外纖維等為代表的高附加值功能纖維品種占比相對較低。差別化功能纖維生產工藝及技術還不夠完善,產品品質不高,難以大批量用于高端面料和制品。
(二)高性能纖維
我國高性能纖維領域發展的重點是碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維、聚酰亞胺(PI)纖維和聚苯硫醚(PPS)纖維等。
1.碳纖維
在過去10年間,我國碳纖維產業進入了蓬勃發展時期,實現了“從無到有”的突破,工藝技術不斷提升,工藝裝備不斷優化,應用領域不斷拓展。2019年,國內聚丙烯腈(PAN)基碳纖維快速發展,產量約為1.2×104t;國內消費量超過3.7×104t,增長約20%,廣泛應用于風電葉片、建筑補強、壓力容器等領域,在航空、航天、電子電器等領域也逐漸應用。
2.芳綸
近年來我國對位芳綸發展迅速,多家企業的產業化技術取得突破,實現了批量生產。2019年,國內對位芳綸產量實現小幅增長,約為2.8×103t;間位芳綸產量約為1.1×104t,總體達到國際先進水106我國先進纖維材料產業發展戰略研究平。目前國產芳綸產品主要用于高溫過濾、防護、密封等材料中。與國外產品相比,國產芳綸產品在航空、航天、國防軍工等高端領域的應用尚缺乏競爭力。
3.UHMWPE纖維
近年來,我國制備UHMWPE纖維技術發展迅速,產品質量大幅提升,性能指標達到國際先進水平,個別指標達到國際領先水平。國外對高端纖維制品也多采取出口限制措施。國內目前約有30家企業生產高強高模聚乙烯纖維,2019年的產量為2.3×104t,產能達到千噸級的企業數量不多。
4.PI纖維
近年來,我國PI纖維產業得到迅猛發展,相關科研機構也開始重視PI纖維的研發。我國耐高溫型PI纖維已商品化生產;高強高模PI纖維完成小試試驗,斷裂強度達到3.5GPa,模量為130GPa,總體達到國際先進水平。
5.PPS纖維
袋式除塵技術的快速發展帶動了國內纖維級PPS樹脂生產企業的發展。2019年國內PPS纖維產量約為5.5×103t,產品規格仍多集中在2.0dtex,主要應用在濾料行業,總體需求保持穩定。近年來,纖維級PPS樹脂合成產業化技術不斷優化,成本逐漸降低,有望進一步提高產量,推動國產品種的市場化應用。
(三)生物基纖維
生物基纖維指以生物質為原料,或含有生物質來源的單體、以生物技術制備的單體的聚合物纖維,主要包括萊賽爾纖維、聚乳酸纖維、生物基聚酯纖維和生物基聚酰胺纖維。我國生物基纖維總體上處于產業化初期。
中國紡織科學研究院的全國產化技術1.5×104t/a萊賽爾纖維生產線于2016年年底全線貫通。2019年,國內有3家企業擁有萬噸級萊賽爾纖維生產線,單線設計產能均為3.0×104t/a,與奧地利蘭精公司已達到的6.7×104t/a單線產能相比,尚需進一步的技術升級。
我國在2000年前后開始研發聚乳酸生產技術,目前我國聚乳酸產業正處于工業化起步階段。目前,多家國內企業建設了聚乳酸連續聚合產業化生產線,同時也實現了長絲、短纖維、紡粘非織造布等產品的生產,多用于一次性衛材、農業、服裝和家紡等領域。目前,由于原料丙交酯的國產化水平不足,聚乳酸產業發展受到的限制較大。國內企業自2010年起突破了生物基1,3-丙二醇(PDO)的關鍵技術,實現了PDO萬噸級生產;在聚對苯二甲酸丙二醇酯(PTT)聚合方面通過技術攻關,初步實現了產業化,正在攻克大容量連續聚合、熔體直紡等關鍵技術,有望實現我國生物基PTT纖維的穩定化、規;a與應用。國內在2010年前后啟動了聚酰胺56(PA56)纖維材料的相關研究。凱賽生物公司實現了生物基1,5-戊二胺和PA56的中試,處于世界先進水平。我國目前正在建設的產能為5×104t/a生物基1,5-戊二胺及1×105t/a生物基PA56生產基地,開發新的應用領域成為量大面廣應用的關鍵。

三、我國先進纖維材料產業發展面臨的挑戰

(一)差別化功能纖維
我國差別化功能纖維總體上處于產業快速發展的初期,當前,產業發展面臨一些迫切需要解決的問題。纖維生產裝備研制和工藝研發脫節,生產裝備老舊,導致在差別化功能纖維生產過程中無法對反應過程、成型過程實現有效控制,嚴重制約了纖維的高品質化發展。
制約我國功能纖維產業發展的另一個重要原因是缺乏完善的性能評價與品質檢測方法及標準體系,使產業發展缺乏有效的規范與指導。功能纖維性能評價與品質檢測的方法及標準體系的建立,可統一規范行業的有序發展避免無序競爭,指導生產企業優化產品的功能指標與產品品質。
(二)高性能纖維
在碳纖維材料方面,我國的碳纖維材料產品大多處于試運行、少量裝機階段,與產業下游的合作仍需加強。產業應用端開發的不充分導致了大量碳纖維生產企業產能虛高,企業運營壓力較大。未來碳纖維生產企業需進一步加強與產業應用端的“產研”聯動,抓住市場機遇,為國產碳纖維產業的發展尋找突破。
在芳綸纖維方面,我國間位芳綸產業的發展尚處于起步階段,制造技術落后于發達國家,難以實現高性能間位芳綸產品的高速、穩定生產。我國對位芳綸產品初步實現產業化,部分差異化產品的核心技術仍未完全掌握,如高強型、高模型、可染色纖維等。
在UHMWPE纖維方面,產業規;潭鹊,國內單線產能多在200t/a,而國外單條生產線的產能普遍在500t/a左右。為提高總產能,國內生產企業不得不增加生產線,造成投資成本高、生產效率低、能耗高,規;a較難實現。
在PI纖維方面,國內PI纖維的性能已經達到世界先進水平,但由于國內原料生產企業產品質量參差不齊、價格較高,導致PI纖維價格高于芳綸,限制了下游企業的應用。另外,我國PI纖維產品的精細化程度不夠,品種少,多用于軍工領域,民用領域應用較少。
另外,國內PPS改性技術開發起步較晚,以中小型企業居多,在產品品質管理和成本控制上與國外企業存在差距。在國外PPS改性企業已經長期占據國際市場的前提下,國內企業后期進入遇到的阻力較大。
(三)生物基纖維
我國生物基纖維的發展基本處于起步階段,在技術、裝備、基礎研究等方面與國外存在一定差距,尚未形成良性供應鏈體系。目前,生物基纖維生產成本高、產品市場競爭力弱,制約著產業的良性發展,特別是在當前低油價時代,無法形成與石油基纖維的競爭優勢。生物基纖維及其原料需要的基因技術、工業微生物技術、生化技術基礎薄弱,多數品種處于小試研究階段,具有自主知識產權的原料品種少,纖維及原料制備難度大、成本高。
總之,我國在核心技術、關鍵設備、關鍵原料方面與發達國家相比差距仍然較大,產業技術水平偏低。

四、我國先進纖維材料產業發展趨勢

(一)差別化功能纖維
高品質、高功能、低消耗、低排放是差別化功能纖維產業化技術發展的方向。高品質指纖維本身的不勻率低,纖維在紡織、染整、涂層、復合加工過程及紡織品使用過程中性能/功能穩定。高功能指纖維材料基本的物理性能(強度、模量、彈性、線密度等)與改善紡織品舒適性、防護性等密切相關的性能/功能,與顯著提升紡織品和服裝的智能化密切相關的性能/功能。低消耗和低排放指纖維材料從原料獲取、纖維制造、應用到廢棄產品回收處理的全生命周期的物耗、能耗、有害物質排放、廢棄物垃圾及其處理成本的顯著降低。面向量大面廣的需求,超仿真纖維、低溫染色纖維、吸濕速干纖維、低熔點纖維等是差別化功能纖維的重點品種。面向作戰、特種防護、智能紡織品等特種需求,阻燃纖維、導電纖維、抑菌纖維、高耐磨纖維等也是重點品種。
(二)高性能纖維
碳纖維的低成本化和高性能化是今后的發展趨勢,通過開拓新型的、廉價的、可替代的碳纖維前軀體以及開發新的工藝方法,不斷降低碳纖維生產成本。
對位芳綸的發展趨勢是通過技術先進性推進應用產品升級換代,開發差異化產品,滿足高端領域應用要求。目前國產對位芳綸主要應用于高溫過濾、防護材料、密封材料等領域,在對于力學性能要求較高的輪胎、橡膠制品、電子通信器材等應用領域,尤其是在航空、航天及國防軍工等高端領域與國外產品相比尚缺乏競爭力。
UHMWPE纖維的發展趨勢是開發高端領域用的差異化產品。高端應用領域的UHMWPE纖維一直由帝斯曼(DSM)公司引領,已開發的具有更高力學性能的產品,強度為40cN/dtex以上;耐蠕變型纖維已用于高強抗蠕變繩索;最近又成功研發了超低蠕變型纖維,在標準條件下長期使用蠕變伸長僅為0.5%左右,成功用于海上采油平臺的系泊纜繩。
PI纖維的發展趨勢為降低生產成本,主要途徑有:一是在單體合成及聚合方法上尋找出路;二是利用PI纖維的高性能改進其他聚合物以發展一類新的性能比芳香PI纖維稍低,但卻高于被改性聚合物的新品種。例如,充分發揮PI纖維本質阻燃特征,制備PI/黏膠高阻燃復合纖維。PPS纖維的發展趨勢是提高纖維品質,開發差異化產品。目前我國的PPS纖維產品較為單一,主要生產常規短纖維產品,纖維的細度、卷曲率以及108我國先進纖維材料產業發展戰略研究干熱收縮率等指標與日本東麗公司的產品相比存在較大差距。國內細旦纖維(<1.0dtex)、異形截面纖維、高卷曲纖維等差異化pps纖維產品尚沒有實現產業化。

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